油田地面工程試驗基地自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

郝 明，田 民，張文焱

（黑龍江省科學院自動化研究所，黑龍江哈爾濱150090）

油田地面工程每年要完成原油千萬噸以上和天然氣百億立方米以上的產(chǎn)能，做好油田地面工程優(yōu)化簡化，實施低成本戰(zhàn)略，推廣高效低碳技術(shù)就顯得特別重要。油田地面工程試驗基地通過對各種工況的模擬為各項新技術(shù)、新成果推廣到實際應(yīng)用中創(chuàng)造了現(xiàn)場實驗的條件[1]。試驗基地的自動化程度又嚴重制約著各試驗項目的準確程度，所以試驗基地需要一套自動化監(jiān)控系統(tǒng)對試驗流程進行監(jiān)控，并記錄各實驗數(shù)據(jù)。本文介紹了大慶油田地面工程試驗基地的自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 地面工程試驗基地工藝流程

油田地面工程試驗站的工藝流程主要由介質(zhì)調(diào)配罐組和試驗環(huán)道兩部分組成。參考工藝流程如圖1，當油田地面試驗站有試驗任務(wù)時，首先打開井排來油閥門，給介質(zhì)調(diào)配罐組進液。介質(zhì)調(diào)配罐組由分離罐、廢液罐、介質(zhì)罐、沉降罐、游離罐、污水罐、電脫水罐、凈化罐組成。通過以上這些裝置，對原油進行油氣分離、沉降、脫水等工藝處理，來達到試驗所需用油的標準和用量后即可開始在試驗環(huán)道中進行試驗。試驗環(huán)道由多條管徑、保溫措施、材質(zhì)不同的管道組成，可以通過用機械抬高管道落差的方式，模擬管道產(chǎn)生堵塞、溫差過大等情況，用以對原油在不同情況下輸送時的溫度、壓力等特性的變化進行試驗，來驗證試驗理論的準確性。試驗用液在試驗環(huán)道循環(huán)完后，回到介質(zhì)調(diào)配罐組等待下次試驗再用，如試驗結(jié)束則通過外輸泵輸送到其他生產(chǎn)單位。

圖1 地面工程試驗基地工藝流程圖Fig.1 The process flow chart of ground engineering test base

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

地面工程試驗基地監(jiān)控系統(tǒng)主要負責試驗流程的控制、數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、歷史查詢、報表打印、報表存儲。系統(tǒng)必須能在試驗進行期間實時在線的連續(xù)監(jiān)測參與試驗的設(shè)備的溫度、壓力、流量、含水率等數(shù)據(jù)。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的連貫性、一致性和完整性，本系統(tǒng)采用PLC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制輸出，并將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到計算機中進行顯示、計算轉(zhuǎn)換保存等處理。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示?？删幊炭刂破鳎≒LC）作為下位機采集各測量設(shè)備的信號，安裝在PLC柜中；上位機系統(tǒng)安裝在監(jiān)控操作室中。由于介質(zhì)調(diào)配和試驗環(huán)道的設(shè)備和監(jiān)控室都距離較遠，所以利用網(wǎng)絡(luò)使兩臺上位機進行通訊，具備在任何一個監(jiān)控室都可以對整套系統(tǒng)進行操作的功能。

PLC采用歐姆龍公司的CS1G-H系列，該系列PLC適合現(xiàn)在點數(shù)較多的場合，配置靈活，功能強大。應(yīng)用CX-PORGRAMMER軟件對PLC程序進行編程[2]。介質(zhì)調(diào)配部分共有109個模擬量輸入信號、38個模擬量輸出信號，10個高速脈沖信號、8個開關(guān)量輸出信號、8個開關(guān)量輸入信號。相應(yīng)的選用了AD161模擬量輸入模塊7個、DA08C模擬量輸出模塊5個、CT041高速記數(shù)模塊3個、ID211開關(guān)量輸入模塊1個、OC211開關(guān)量輸出模塊1個，由于模塊較多，PLC采用了雙機架設(shè)計，考慮PLC底版電流的限制，需要將模塊合理分布在兩個機架上。試驗環(huán)道部分點數(shù)較少，采用4塊AD161模塊、1塊OC211、1塊ID211。上位監(jiān)控計算機可由工業(yè)控制用計算機在Windows環(huán)境下配以北京三維科技有限公司的力控監(jiān)控組態(tài)軟件，實現(xiàn)整個對數(shù)據(jù)的監(jiān)控與設(shè)備的管理。

整套系統(tǒng)具有較高的自動化控制水平，具有自動和手動功能。介質(zhì)調(diào)配階段時，可以通過設(shè)定給定值的方法，切換到全自動方式運行。試驗階段，可以采用在界面上點擊按鈕的方式啟停相關(guān)的試驗設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure chart of system

2.2 軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件采用北京三維力控公司的ForceControl6.1組態(tài)軟件，與PLC通信將數(shù)據(jù)采集到計算機，實現(xiàn)人機交互[3]。軟件設(shè)計可實現(xiàn)畫面動態(tài)顯示、實時報警、數(shù)據(jù)記錄、報表打印及參數(shù)修改等功能。軟件編制結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 上位機軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure chart of host computer software

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與顯示

力控軟件包含各種I/O設(shè)備的驅(qū)動程序，其支持的硬件設(shè)備包括PLC、智能模塊、板卡等，采集的實時數(shù)據(jù)均來自所連接的I/O設(shè)備。在力控I/O設(shè)備組態(tài)中選擇歐姆龍PLC設(shè)備，配置通信方式、通信地址等信息內(nèi)容。在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中定義I/O變量，其地址對應(yīng)PLC設(shè)備中相應(yīng)的寄存器，力控軟件再通過訪問數(shù)據(jù)庫中的變量，將從設(shè)備中采集的數(shù)據(jù)顯示在操作畫面中。

系統(tǒng)主畫面顯示地面工程試驗站的工藝過程，如圖4，通過此畫面可以監(jiān)視整個試驗站的所有工藝過程，顯示出各個設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)的數(shù)值。

圖4 工藝流程圖Fig.4 Process flow chart

2.2.2.報警

力控中還提供了多種報警記錄的顯示方式，如彈出報警窗、在數(shù)據(jù)庫中記錄，在打印機端輸出等。

本系統(tǒng)需要監(jiān)測的報警信號主要是各個處理罐的液位情況和壓力狀態(tài)。當液位處于高限時要彈出報警窗口提示操作人員。當超過高高限時，要發(fā)出聲光報警，并在PLC的輸出端將進液泵停止。壓力的處理方式與液位相似，當罐內(nèi)壓力過高時，要將排氣閥自動打開，進液泵關(guān)閉。這些需要監(jiān)測報警的變量，要在建立變量時在數(shù)據(jù)庫辭典中進行設(shè)置，設(shè)置變量的高限、低限、高高限、低低限。系統(tǒng)投入運行時，還可以在參數(shù)修改界面中修改這些參數(shù)的報警值。報警查詢畫面設(shè)置了查詢報警的窗口，通過對參數(shù)的查詢或時間的查詢，可以追溯歷史報警。

2.2.3 數(shù)據(jù)記錄和報表

試驗站最重要的任務(wù)就是要將試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果進行記錄交付給試驗方，因此需要組態(tài)軟件實現(xiàn)所有參數(shù)的數(shù)據(jù)記錄和保存、報表自動生成及輸出。這就需要既能在組態(tài)軟件中建立報表，又要將所有數(shù)據(jù)存放在第三方數(shù)據(jù)庫中，以便實驗方通過對數(shù)據(jù)庫的訪問，可以獲得試驗中的所有原始數(shù)據(jù)。

首先通過力控軟件中專家報表系統(tǒng)編輯生成需要的報表，專家報表是力控組態(tài)軟件的一大特色，利用專家報表系統(tǒng)可以很大的減少報表開發(fā)的工作量，支持CSV、XLS、PDF等文件格式的導入與導出。開發(fā)人員只需要像編輯EXCEL文件一樣對專家報表進行編輯，寫入行名、列名，并選擇報表需要體現(xiàn)出的參數(shù)對應(yīng)的變量，設(shè)置時間樣式，即可完成報表的編輯。然后在報表界面建立報表查詢、報表打印、打印設(shè)置等按鈕，連接相關(guān)的按鈕功能（如報表查詢按鈕可以使用#Report.SetTimePar(-1)命令），即可對報表進行操作。

數(shù)據(jù)存放在第三方數(shù)據(jù)庫時，需要首先建立一個Microsoft Accesss數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫，采用ODBC的訪問方式，力控軟件SQL訪問功能能夠和其他ODBC數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)傳輸，然后在力控數(shù)據(jù)表模板上建立一個記錄體模板；最后在力控的應(yīng)用程序動作中使用SQLCONNECT（）函數(shù)建立與數(shù)據(jù)庫的連接。這樣力控軟件實時采集的數(shù)據(jù)就可以按記錄體的格式在Access中進行記錄。試驗方如需要原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫形式，即可通過對Access數(shù)據(jù)庫的訪問，直接拷貝讀取數(shù)據(jù)庫中的記錄表。

2.2.4 參數(shù)修改

參數(shù)修改功能滿足了試驗站對不同試驗，系統(tǒng)參數(shù)不同的要求。如有的試驗需要保持液體在試驗管道中持續(xù)流動4h、8h，但是試驗站的罐體都較小，沒有足夠的存液能力，就需要在參數(shù)修改界面中更改流量的給定值，通過給定值的修改，PLC中控制流量的PID程序塊的給定值也隨之發(fā)生改變，達到了持續(xù)供液的要求。另外參數(shù)修改還可以修改系統(tǒng)的報警參數(shù)的上下限。參數(shù)修改功能，可以使操作人員在不進入上位機軟件開發(fā)界面的情況下，在運行狀態(tài)直接修改系統(tǒng)的運行參數(shù)，方便了試驗站進行各種要求不同的試驗。

3 結(jié)束語

本文基于油田地面工程試驗站的工藝流程和工況要求，采用PLC和力控組態(tài)軟件設(shè)計了一套自動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在大慶油田地面工程試驗站投入運行，運行情況良好。

［1］關(guān)延軍.油田地面工程數(shù)字化與建庫［J］.現(xiàn)代測繪，2007，30(4):59～61.

［2］王輝.歐姆龍系列PLC原理及應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2009，101～120.

［3］馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學出版社,2001，56～58.